热点研究丨电动汽车储能对向可再生能源过渡的影响

美国得克萨斯克里斯汀大学Efstathios E. Michaelides教授领衔团队在《新能源与智能载运》期刊上发表了题为“The Effect of Electric Vehicle Energy Storage on the Transition to Renewable Energy”的研究论文。该论文针对缓解全球气候变化、碳减排问题提出利用电动汽车的储能能力在电网中采用可再生能源装置取代化石燃料的发电应用方案。考虑到可再生能源包括风能和太阳能具有显著的周期性和间歇性特征，其能源供给不会随着电力需求而动态改变，因此使用可再生能源代替化石燃料发电所带来的实时供需不匹配问题需要通过能源存储/释放调度进行解决。在此基础上该研究确定了能源存储转换过程中的能量耗散、系统效率以及大型电网向可再生能源过渡所必需的储能能力。

化石燃料大量使用伴随的二氧化碳排放以及由此产生的全球性气候变化已成为21世纪全球最紧迫的问题之一。实现二氧化碳减排的有效方法之一是将一部分能源需求从化石燃料资源转向可再生能源资源。然而，太阳能和风能这两种最丰富的可再生能源具有显著的周期性和间歇性特征，往往难以满足消费者的瞬时电力需求。为解决可再生能源与实时电力需求的供需匹配问题，通常使用氢能和抽水蓄能作为能量转换方案，但其过程中存在较高的能量耗散问题，而电动汽车的快速发展和应用为解决上述问题带来了可能性，主要表现在三个方面：①电动汽车替代传统发动机车辆可以显著减少二氧化碳排放；②灵活和优化的充放电计划可以提高可再生能源在交通运输中的使用比例；③电动汽车中大型电池中存储的能量的可以通过V2G技术进行电网能量补充。

论文提出了三种车辆与电网相互作用的模式：①家庭到电网（H2G），即车辆为家庭提供电力；②车辆对车辆（V2V），即一组车辆共享存储在电池中的能量；③车辆到电网（V2G），即电动汽车与电网进行双向能量流动。图1展示了论文所提出的电网系统结构，该系统中分散在ERCOT区域内的大量风力涡轮机和光伏装置利用风能和太阳辐射发电将取代传统的化石燃料发电方式。当电网需求低于风能和太阳能产生的电力时，多余的电力将储存在电动汽车电池中或传输至当地生产和储存氢气的电解厂；当电网需求超过供应时，动力电池系统和氢气转化的电能将按顺序弥补差额，其中，存储和放电顺序是先电动汽车动力电池后储氢设施，该分层充放电策略能够利用动力电池的高往返效率优势，减少能量存储和释放过程中的能量耗散。

图1 可再生能源取代化石燃料发电厂示意

文章以美国得克萨斯地区的ERCOT电网为基础，使用电动汽车电池（V2G）和氢气（P2G）储能技术结合风能和太阳能发电方式替换传统的化石燃料发电进行电网系统改造。首先将一年内的时间划分为8760个小时，在每个小时内计算能够完全替代化石燃料发电厂的风能和太阳能发电装机容量。其中太阳能发电能量根据太阳辐照度结合温度效率系数进行计算，风力发电能量根据ERCOT地区2017-2019年间每兆瓦风电装机容量小时发电量数据进行核算。在风力和太阳能发电能量大于所需电力时，多余能量将以动力电池储能和氢气储能的方式进行存储；在能量供给存在缺口时，动力电池及氢气储能将进行实时补充，考虑到动力电池的往返效率较高，因此在能量存储和释放阶段均优先使用动力电池。

考虑到风能和太阳能的发电量具有高度的周期性和间歇性，难以实现高精度的预测，因此本文提出两个保障电网能量供应可靠性的能量存储系统的组合约束，在一年中所有小时内都根据用电需求设置足够的电池电量和氢气储能，在满足瞬时电力需求的基础上，需为电网提供至少15天的电力储备以确保在系统故障或严重的恶劣天气条件下，可再生能源产生的能量减少期间，运营商将有足够的时间进行应对。由此，控制方程系统产生8760个线性方程（每个方程代表一年中的1小时），求解以上方程得到：

①  电动汽车动力电池和氢气储能系统的小时供电量/储能量；

②  电动汽车动力电池和氢气储能系统的小时储能水平；

③  电网系统小时能量耗散量；

④  电网系统所需的太阳能和风能装机容量；

⑤  电网系统所需的总储能量；

⑥  电网系统日/年热力耗散量。

全年8,760小时区间内的计算结果表明，电动汽车动力电池的往返效率为79.2%，储氢系统的往返效率为52.5%。如图2所示，在可用电池存储容量为0的情况下，大量能量在存储/释放过程中耗散，年耗散能量的最小值约为38太瓦时，而当可再生能源完全由风能和太阳能产生时，耗散能量分别增加至48.5太瓦时和156太瓦时。而当在电网系统中增加44万兆瓦时的动力电池存储容量时，系统年耗散能量明显降低，相比于电池存储容量为0时，在可再生能源完全由风能和太阳能产生的情况下，耗散能量分别降低17%和38%。

图2 无可用动力电池储能时的年能量耗散量和储氢容量

图3 44万兆瓦时可用动力电池储能时的年能量耗散和储氢容量

该研究表明，电动汽车动力电池的部分储能容量可用于可再生能源电网中的能量存储。由于电池储能的往返效率明显高于氢气等其他储能系统，因此在大型电网系统中，即使应用小部分动力电池储能也能够显著减少储能/释放过程中的耗散能量。ERCOT电网案例研究结果显示，尽管电池的存储容量只占电网所需存储容量的1-2%，但电池优越的往返存储效率将与能量存储和释放过程相关的能量耗散降低了38%，总储氢容量降低了50%。

文章转自微信公众平台“新能源与智能载运”